Příliš dlouhý, ale nutný úvod VÝROBA PLOŠNÝCH SPOJŮ Pokud vám bude pročítání nějakých zásad připadat únavné, zkuste to brát jako malou přípravu na praxi, ve které budete daleko více omezováni mantinely norem, předpisů, cenově dostupných materiálů, součástek, technologií a neustálým tlakem na snižování nákladů. Technologie pro výrobu plošných spojů, dostupná na ústavu, je určena pro výrobu na úrovni školních a prototypových desek, jedno nebo oboustranných. Strojní vybavení, předepsané postupy a dodávané sady chemikálií nelze srovnávat s technologiemi profesionálních výrobců DPS. Aby bylo možné dosáhnout uspokojivých výsledků, je nutné vzít tuto skutečnost v úvahu již při návrhu desky. Největší rozdíl proti profesionální praxi - naše metodika nepočítá s nanesením ochranného kovu na plošky mědi před leptáním - plošky je tedy nutno navrhovat dostatečně velké (upřesněno dále). Zvláště u desky vrtané předem dochází na otvoru k prohnutí membrány fotorezistu (viz obr. 1, kóta 1) a pokud není navrženo dostatečně široké mezikruží mědi (kóta 2) k přilepení rezistu, okraje fotorezistu se mohou zvednout a dojde k podleptání nejen případného prokovu, ale i samotné plošky. Další odlišnost technologií - používáme větší minimální průměr otvoru, což s sebou opět nese požadavek na větší plošku. Návrhové systémy - např. EAGLE - však ve svých knihovnách zpravidla s profesionální výrobou počítají. Nemůžeme tedy vzít z knihovny součástku, u které je mlčky předpokládáno, že vězí v pevném nýtu zlaceného prokovu oboustranné desky, plácnout ji na desku jednostrannou a předpokládat, že jí jedna malá ploška dodá dostatečnou mechanickou stabilitu a neodlepí se během pájení. Naštěstí už tato skutečnost řadě lidí došla a po zadání hesla knihovny EAGLE nebo podobného na nás z vyhledávače vyskočí součástky přístupnější našemu použití. Profesionálové také nepoužívají předlohy na pauzáku. Metodu zatím zachováváme pro méně náročné desky, které si nevynucují předlohu filmovou. Má výhodu v podstatně nižších nákladech a operativnější výrobě, nízký kontrast a vady předlohy však někdy dokáží zazlobit i u zdánlivě jednoduchých desek. Poslední rozdíly, na které upozorním - nelze klást rovnítko mezi chemický cín a HAL, suchou a tekutou nepájivou masku. 1
Srovnání knihoven součástek Eagle - web : obr. 2 Všimněte si, o kolik lépe se bude začátečníkovi pájet ploška rezistoru z pravého sloupce. Plošky LED vpravo určitě zajistí součástce větší mechanickou pevnost na jednostranné desce, nehledě na vtipné rozlišení vývodů. Menší plošky součástek z knihovny EAGLE naopak umožní - pokud by byla použita profesionální výroba - více vodivých cest mezi vývody. Není řečeno že vše, co naleznete na internetu je dokonalé, mnoho knihovních prvků však můžete výhodně použít nebo se jimi alespoň nechat inspirovat pro vlastní vývoj. Při tvorbě výstupních souborů z Eagle pozor na vrstvy s popisy (vynechat). Následující tolerance a doporučení nemají jiný cíl, než zajistit pro většinu zadavatelů použitelnou desku plošných spojů, vyrobitelnou zároveň na našem zařízení. Pro dosažení dobrých výsledků je nutné doporučení dodržet bez ohledu na návrhový systém, který používáte. Pokud budou uvedena některá upřesnění, platí pro zde nejrozšířenější návrhový systém EAGLE. 2
Požadavky k návrhu obr. 3 Kóta 1 - minimální šířka spoje 0,25 mm (asi 10 mil) pro filmovou předlohu, předpokládáme-li předlohu na pauzáku pak 0,3 mm (asi 12 mil); použít pouze v nutném úseku Kóta 2 - minimální šířka mezery 0,25 mm (asi 10 mil) pro filmovou předlohu, předpokládáme-li předlohu na pauzáku pak 0,3 mm (asi 12 mil); použít pouze v nutném úseku Kóta 3 - minimální odstup od polygonu 0,6 mm (asi 24 mil) v obou případech Kóta 4 - otvory a plošky - minimální průměr vrtaného otvoru 0,6 mm pro otvor, který má být prokoven, jinak 0,5 mm (- prokovený otvor by měl být větší než vývodu součástky min. o 0,2 mm max. o 0,7 mm - vrtaný otvor má být min. o 0,15 až 0,1 mm větší, než požadovaný otvor prokovený) - viz obr. 4 (pro větší názornost není v měřítku) D (průměr vývodu) V (průměr vrtání) V=P+(0,15 až 0,1 mm) P (průměr prokovu) P=D+(0,2 až 0,7 mm) 3
Minimální průměr plošky (Diameter) průchodu (Via) pro otvor (Drill) 0,6 mm : 1,42 mm (asi 55 mil), v prostorové tísni nejvyšší a pouze v nejnutnější oblasti pak 1,27 mm (asi 50 mil) Minimální šířka mezikruží (Restring - viz obr. 5) Restring S předchozím doporučením koresponduje hodnota 0,41 mm (asi 16 mil). Používejte pro rozsah průměru otvoru 0,6 až 1,2 mm - pro větší otvory je nutné parametr Restring zvětšit (viz také str. 1) Všimněte si obrázku - dole je znázorněn průchod podle našich požadavků (otvor 0,6 mm, ploška 1,42 mm - odpovídá Restring 16 mil) Nahoře je ploška (podstatně menší), která je při volbě auto přednastavena Eaglem - nutno změnit (DRC - Restring - Vias Outer) ------------------------------------------------------------------------------------------------------- Obr. 6 - příklad nevhodné plošky Přestože je Pad dostatečně velký, jeho značné posunutí vůči otvoru (Offset) způsobilo, že šířka mezikruží vlevo je příliš malá. Nevýhodnost násobí vyvedení spoje z této oslabené části. Už malá nepřesnost při vrtání způsobí přerušení spoje. Maximální rozměr desky 280 x 200 mm, neplatí pro desku s prokovy Několik poznámek a námětů (nenahrazují návod k EAGLE) Pro otvory neprokovené je plošky namáhané pájením dobré zvětšit. Se zvyšováním počtu prokovů klesá spolehlivost DPS, je třeba jejich počet co nejvíce omezit. Se zvětšováním průměru prokoveného otvoru spolehlivost roste - pokud je to možné, je lépe použít otvory 0,8 nebo 1 mm místo pro nás minimální hodnoty 0,6 mm. Zvykněte si nevolit řadu vrtaných průměrů příliš hustě (cena). Je lépe použít několik propojek (zejména u montáže SMT je čipové pouzdro s nulovým odporem docela elegantní a nevyhýbají se mu ani renomovaní výrobci) - - než si přehustit celý plošný spoj nebo se vystavit nebezpečí zkratů s příliš těsným polygonem. U polygonů volte Orphans Off pro odstranění sirotků (nepropojených ploch). Další úspora místa a spojů - dvě čipová pouzdra stejné velikosti (u SMT) lze zapájet položená na sobě (RC členy apod.) Používejte termální plošky (Thermals On). 4
Technologické okolí má zajistit nezáměnné a přesné přiložení předloh, dohledání desky i předlohy, naznačuje hranice oříznutí. Předem zdůrazňuji nutnost naznačení obrysu - zejména u antén a mikrovlnných obvodů nemusí být automaticky zřejmý. Provedení technologického okolí se může v různých pramenech odlišovat. Typ, vyhovující naší výrobě je naznačen na obr. 7 nákres pro větší názornost není v měřítku : Kóta 1 - Text - zajišťuje správné přiložení předlohy - nápis musí být psán vždy v příslušné vrstvě (Top, Bottom) těsně za hranicí obrysu. V Eagle použít Font Vector, Ratio 12. Text použít i u jednostranné desky. Možno doplnit typ a tloušťku materiálu - čím více informací, tím lépe. Kóta 2 - Sesazovací značka - slouží pro správné otočení předlohy (proto musí být sesazovací značky tři, ne 2 nebo 4). Záměrný kříž s otvorem je předpokladem pro přesné sesazení. Otvor je nejlépe volit ve shodě s nejmenším průměrem, použitým na desce. Záměrný kříž (platí pro EAGLE) kreslit ve vrstvě DIMENSE, síla čáry asi 0,25 mm. Použít i u jednostranné desky předem vrtané. Kóta 3 - Naznačení obrysu. Pokud není obvod desky příliš členitý, jeví se nejvýhodnější rohová značka v naznačeném provedení. (Pro EAGLE - kreslit ve vrstvě DIMENSE, síla čáry asi 0,4 až 1 mm). Deska leží uvnitř rožků, po ostřižení na desce nezůstanou. Motiv plošného spoje by měl být umístěn (platí pro EAGLE) vpravo a nahoře od počátku souřadnic (I. kvadrant, nepřesahovat). 5
Zadání desky do výroby Desku je třeba nechat zapsat do tabulky požadavků na výrobu : Školní projekty zapisuje učitel - vedoucí projektu, deska je zdarma. Pokud jsou volné kapacity, lze zadat v rámci odborného růstu studenta i výrobu desky soukromé (pouze 1 ks v základní variantě - bez prokovů, vrtaná studentem). Tyto soukromé desky se zapisují na dílně, cena činí 70 Kč / dm² pro jedno i oboustrannou desku, minimální předpokládaný rozměr je 0,5 dm² (35 Kč). Pro zadání je třeba rozměr desky a, b v milimetrech a stručný název konstrukce. Předloha Pokud to vzdálenosti na desce (viz str.3, 4) umožní, je rychlejší variantou předloha na pauzáku (gramáž 90-95 g / m², k zakoupení po 2 Kč / ks na dílně). Záleží také na velikosti desky - u širokých spojů udrží tiskárna spolu se změnami rozměru pauzáku vyhovující přesnost, u užších spojů a velké desky je třeba někdy volit film (při nejasnostech poradíme). Předlohu na pauzáku si tiskne student na doporučené laserové tiskárně na ústavu. Získání souborů pro tisk z EAGLE : Na webu bude umístěn návod na automatizované generování souborů s potřebnými vrstvami a zrcadleními, zde pro úplnost alespoň základní postup s ručními volbami nejnutnějších vrstev jednoduchého návrhu : V otevřené desce (.brd) zadat Ratsnest, zvolit CAM Processor pro soubor strany Bottom pak volit nebo zadávat - - Device - zvolit PS_INVERTED - File - zadat název souboru strany Bottom s příponou.ps - Layer - zvolit - Bottom - Pads - Vias - Dimension - zrušit zatržení v okénku Fill pads pro zobrazení otvorů - zvolit Process Job ------------------------------------------------------------------------------------------------------- pro soubor strany Top pak volit nebo zadávat - - Device - zvolit PS_INVERTED - File - zadat název souboru strany Top s příponou.ps - Layer - zvolit -Top - Pads - Vias - Dimension - zrušit zatržení v okénku Fill pads pro zobrazení otvorů - zaškrtnout požadavek na zrcadlení v okénku Mirror - zvolit Process Job 6
(Strana Bottom se tedy nezrcadlí, strana Top ano). Ze souborů.ps pak pomocí programu Acrobat Distiller získáme potřebné soubory.pdf. Pokud jsme postupovali správně, cesty mědi budou bílé, mezery černé a nápisy při obvyklém pohledu zrcadlové. Na papír do oblasti tisku nesaháme před tiskem ani po něm, neprojíždíme tiskárnou opakovaně. Při tisku volíme měřítko - žádné, zatrhneme automaticky otáčet a vystředit. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- Pokud váš návrh bude vyžadovat předlohu filmovou, stačí (pro EAGLE) odevzdat soubor.brd v elektronické podobě, potřebné soubory si vytvoříme sami. Sledujte, jaká verze EAGLE je na ústavu zakoupena a používejte ji, s otevíráním vyšších verzí bývají problémy. Používáte-li naopak jiný návrhový systém, který nemáme k dispozici, musíte nám z něj vygenerovat soubory gerber pro plotter a soubory excellon pro vrtačku. Výroba desek s filmovou předlohou, případně s prokovy nebo maskou je na našem zařízení zdlouhavější, několik desek také musí na sebe čekat pro hospodárné nakládání s filmy, rezisty a technologií Compacta. Student by měl spolu s učitelem zvážit, zda už je schopen uhlídat návrhová pravidla (viz zejména str. 1 až 4) a zda konstrukce např. prokovy nezbytně vyžaduje. Z kapacitních důvodů nelze prokovení požadovat pro každou oboustrannou desku a složitost konstrukcí to - alespoň prozatím - také nevyžaduje. Investovat materiál a čas do desky nevhodně navržené, u které je předem zřejmé, že vyrobit nepůjde, není možné. Dodržení návrhových pravidel v EAGLE snadno zkontrolujete pomocí funkce DRC - podrobněji např. viz Doporučená literatura Pozn. : Využívejte zejména návody, popisy příkazů a obecná návrhová pravidla. Některá rozměrová doporučení nemusí být pro naše podmínky vhodná. Internet - podle aktuální nabídky, hesla : Návod Eagle Manuál Eagle Knihovny Eagle Knihy - Eagle prakticky (Zdeněk Plíva), BEN - Návrh plošných spojů pro povrchovou montáž (Josef Šandera), BEN - Eagle pro začátečníky (Antonín Juránek, Miroslav Hrabovský), BEN 7
Závěr (Nezvykle po literatuře) Naše doporučení vycházejí z aktuální situace (únor 2010) a současných zkušeností. Vzhledem k minulému textu nebyly měněny požadavky na šířky spojů a mezer, zdůrazněn je požadavek na provedení plošek. Změny vyhrazeny. Příp. dotazy : A. Vanžura, J. Voráč (vanzura@feec.vutbr.cz, vorac@feec.vutbr.cz) 8